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什么是石墨烯电池?石墨烯电池真的是伪科学吗?

 随着节能减排、政府补贴等政策和需求的推动,当前我国汽车市场正迎来新能源汽车发展的黄金时代。随着新能源汽车的强势刷屏,石墨烯锂离子电池重新进入人们视线。


所谓石墨烯电池,其实并非全新的技术,近几年一直处于研发阶段。应该说其材料和工艺尚未完全成熟,我们看到的很多报道仅仅是科研报道,而非产品报道。


关于石墨烯电池,你怎么看?


石墨烯电池现在算是个伪命题,但懂得用石墨烯的确可以截长补短。


很多人不了解石墨烯,甚至认为只有单层石墨烯才能称作石墨烯。这也就是我为何不断地进行科普,从机理、应用到标准,用更多实践来证明他们都太武断的目的。但不可讳言地说,石墨烯在现阶段还是个「配角」角色,不过,这个配角却有着打通任督二脉的功效,就看你怎么设计配套的石墨烯材料了。


在正式回答石墨烯电池的相关问题前,我们先来探讨两个情境:


第一,假如石墨烯成本降低到接近导电炭黑,但用量及功效却更好,你会不会采用?


第二,假如在导电剂、硅碳负极、高镍正极及隔膜都可以用石墨烯来达到更高性价比,这算不算是所谓的石墨烯电池?


坦言之,我们现在可以说是石墨烯「基」电池,毕竟掺入的量很少就可以有效。但换个角度来说,一旦锂离子电池各个部件上都被石墨烯取代时,我们该怎么称呼那时候的锂离子电池呢?附带一提的是,锂离子电池还是会通过「锂离子」来吸附/脱附,石墨烯是不可能取代锂离子的角色。


志阳科技在2016年就用河南义腾新能源供应的聚丙烯基材分别掺入石墨烯/氧化石墨烯做成复材做验证,通过验证后在纵向/横向抗拉强度分别提升29.6%及46.8%,而伸长率分别提升364.0%及213.0%,这个数据对隔膜厂是很大的技术突破。


另外,我们在2018年制备了石墨烯导电剂,金属杂质低于5ppm,与习用的KS6/SP导电剂相比较,效果提高了至少40%。基本上,加入SuperP与石墨烯用料比约2:1,以目前导电剂进价每吨5万元来计算,石墨烯导电剂的性价比已经可以完全取代炭黑导电剂了。


接着,在2018年也进行了石墨烯包覆微米硅的硅碳负极,目前在扣式电池通过100次循环下可稳定达到574mAh/g,正安排后续进行软包循环测试,目前只剩下高镍正极是最后一个锂离子电池项目,而我们决定以石墨烯负载高镍工艺作正极材料。在此同时,我们供应石墨烯薄膜给清华大学进行锂硫电池项目,为的是布局未来的石墨烯电池科技储备我们不会缺席。


还是那句老话,假如你认同从微观上石墨烯是最好的材料,但在巨观上你无法做技术突破,问题绝对不在石墨烯,而是出在你自己不懂石墨烯怎么用!


石墨烯又该怎么替锂离子电池打通任督二脉呢?


撇开石墨烯锂离子电池及石墨烯「基」锂离子电池名词上的争议不谈,在前面提到的隔膜项目,我们比较了石墨烯及氧化石墨烯,在相同渗滤阈值之机械性能以氧化石墨烯表现比较好,原因在机械性及导热性强调「界面」,越强的键结力对这两类性能有利,选择共价键是最佳选择。


反观,导电剂却要求高电导率及金属杂质少于10ppm,因为金属离子(Fe、Co、Ni、Cr等)对电池的危害很大,所以很多石墨烯业者因为制备容器会释出铁离子就不达标。而硅碳负极重点在石墨烯包覆纳米硅,纳米硅要求纯度98%、1微米以内。这几个项目都是使用不同石墨烯并通过不同官能化才能做出不错的成果,你光想把石墨烯当作一种材料或万灵丹,打从一开始你就错了!


其实,更重要的是「成本」因素。几年前先丰纳米告诉我氧化石墨烯还原后每克成本要40元,这个才是无法取代现有产品的最大制约,各位想想看,你会因为是石墨烯就愿意多花几块钱去购买吗?


所以,志阳一开始就决定以物理工艺制备石墨烯真的是歪打正着,不仅环保,而且因为不要冷却及还原,所以成本很低廉。不过,还是有些创业者鱼目混珠,利用溶剂插层还说自己是物理制备工艺,这件事等到下次有机会再来点评。其实,这也很好判断,你问他们用到酸、溶剂及水吗?这攸关环保问题,想忽悠越来越难了!


石墨烯材料怎么满足锂离子电池在能量密度、充电时间及循环次数的要求


一般来说,石墨烯的压实密度及振实密度偏低,使得在能量密度上不被看好。但石墨烯拥有良好的电导、热导性,能让锂离子在石墨烯表面与电极间快速穿梭运动,让功率密度变成强项,这也是石墨烯电池大多被提到能够做到「快充」的根据。


另外,石墨烯还有些像传统碳材在首次循环的库伦效率偏低、充放电平台过高、电位滞后严重以及循环稳定性较差等缺点,而这些问题其实都是高比表面无序碳材料的基本电化学特点。


但这样就真的不能做好石墨烯锂离子电池吗?


其实不然,在负极材料上我们选择硅碳负极来改性,就是看到硅基负极重要有三个缺点:电子电导率及锂离子扩散系数低大大降低了倍率性能、形成不稳定的SEI膜及硅在充放电过程之体积变化超过300%。而石墨烯稳定的骨架结构缓冲了硅晶格的膨胀,减少了锂离子脱插过程对材料晶格的破坏,从而延长材料的循环寿命;


另一方面,网状结构的石墨烯在复合材料中起到导电网络的用途,极大的供应高了锂离子在材料的迁移速率,从而提高了材料的倍率性能。另外,还有一种做法是利用石墨烯微片包覆沥青的碳,这种结构设计不太会出现锂枝晶结构,可有效延长电池寿命,并可达到快速充电的功能。


既然碳纳米材料单独作为负极材料存在不可逆容量高、电压滞后等缺点,与其它负极材料复合使用是目前比较实际的选择方法。所以,把石墨烯当作「增益」材料,而不是一昧用本征石墨烯的角度来看锂离子电池的技术突破,或许才能打开锂离子电池技术一条新的道路。


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